近日，中國科學院上海高等研究院（以下簡稱「上海高研院」）納孔構型的分離與能源轉化（SECOND）團隊共價有機框架新型催化劑套用於電催化氧還原的研究取得進展，研究成果以「Charging modulation of the pyridine nitrogen of covalent organic frameworks for promoting oxygen reduction reaction」為題發表在Nature Commnunications上。論文的第一作者為上海高研院博士生楊修貝和中國科學技術大學博士生安琦正，通訊作者為徐慶副研究員、付鈺斌博士和曾高峰研究員。
氧還原反應(ORR)作為金屬-空氣電池和燃料電池中必不可少的半反應，在電池中起著至關重要的作用。在追求高效催化劑的過程中，無金屬材料因其成本效益和優越的化學穩定性而成為有希望的候選材料。在多孔碳材料中摻雜雜原子已被證明是提高催化效能的有效策略。然而，精確控制摻雜位點的位置、內容和類別仍然具有挑戰性，這強調了理解這些結構及其相應性質之間關系的必要性。
在本研究中，研究團隊透過調節COFs框架中吡啶氮原子的電子態，構建了高活性的催化中心。透過加入不同的吡啶單元（如吡啶、離子吡啶和離子咪唑單元），有效地調整包括偶極矩、還原能力、親水性和對反應中間體的結合親和力等材料特性。最佳化後的含有離子咪唑單元的COF (im-PY-BPY-COF)比電荷中性的COF (PY-BPY-COF)和離子吡啶COF (ion-PY-BPY-COF)具有更高的活性。具體來說，im-PY-BPY-COF在0.1 M KOH下的半波電位為0.80 V，優於其他無金屬COFs。理論計算和原位同步輻射傅立葉變換紅外光譜測量進一步驗證了碳原子在離子咪唑環中的存在透過促進中間OOH*的結合和促進OH*的解吸來提高活性。該研究為COFs中理想活性位點的設計探索提供了有價值的見解，以實作高效的ORR催化。
該研究工作得到國家自然科學基金，上海市科學技術委員會，中國科學院青年創新促進會等專案的資助。先進表征得到了上海光源BL14W1、BL20U1線站支持。
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https://www.nature.com/articles/s41467-024-46291-y
